局部放电论文：电缆局部放电的特点研讨

本文作者：常文治、葛振东、时翔、马国明、陈志勇、崔潇、李成榕、陈雪薇、唐志国单位：新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)、青岛供电公司

在近似于工频的阻尼振荡电压下检测局部放电，其电压波形与频率满足IEC60270[10]标准对试验电压特性的要求，能够对视在放电量进行标定。系统体积小巧，特别适合现场条件下的电缆局部放电检测。目前我国相关单位主要应用振荡波检测技术开展电缆绝缘缺陷的定位研究[11-17]，但是未对振荡电压下检测到的局部放电信号进行统计特征分析。本文在真实10kV电缆上设置典型缺陷模型，使用自主研制的振荡波检测系统开展试验，对试验数据进行统计特征分析。

振荡波检测技术的原理

振荡电压波测试方法的基本原理是利用电缆等值电容与外接电感、回路直流电阻构成的LCR欠阻尼振荡电路。振荡波检测系统的构成如图1所示，包括高压直流源、无晕电抗器、高速固态开关、局部放电及电压检测系统，数据采集系统、试品电缆等。工作过程分为2个阶段：一是直流充电阶段，在图1中，高速固态实时开关断开，高压直流源通过无晕电抗器对试品电缆充电，在试品电缆的芯线和接地层之间累积静电荷；二是振荡电压生成及局部放电检测阶段。图1中，高速固态开关瞬间闭合，电缆芯线上储存的正电荷与外皮中的负电荷发生中和，电缆等值电容与电抗器电感、直流电阻形成LCR欠阻尼振荡回路，在试品电缆芯线及接地层之间产生近似于工频的阻尼振荡电压，激发出电缆绝缘缺陷处的局部放电信号，基于脉冲电流方法进行检测。

10kV电缆局部放电实验模型

试品电缆采用铜芯交联聚乙烯绝缘钢带铠装聚氯乙烯护套阻燃电力电缆，型号为ZC-YJV22，额定电压15kV/8.7kV，规格为3*240mm2。整条试品电缆由一根129m长及一根262m长的电缆通过冷缩式中间接头连接而成，电缆两端均安装冷缩式户内终端，电缆铠装及铜屏蔽层均与大地可靠连接。试品电缆总长391m，在129m处有一中间接头。结合电缆实际故障，在电缆的中间接头、终端、本体上设置以下4种潜在性放电缺陷：1）中间接头线芯缠绕绝缘胶带。制作中间接头时，线芯接管外按规程应当缠绕半导电胶带，模拟现场误操作的情形，在压接管外缠绕绝缘胶带，如图2(a)所示。2）端部针尖故障。选取一根铜针及交联聚乙烯绝缘块，将铜针的尖端插入绝缘块内部，铜针的另一端与试品电缆线芯相连，如图2(b)所示。3）本体外半导电层破损故障。将试品电缆局部的接地铜带撕开，露出外半导电层，将其刮开一直径约2cm的豁口，如图2(c)所示。4）端部悬浮故障源。将一根铜针的尖端插入试品电缆主绝缘表面约1mm深度，铜针不与线芯及内半导电层接触，如图2(d)所示。

10kV电缆局部放电振荡波测试系统

缺陷点定位方法自主研发的10kV电缆局部放电振荡波检测系统由前台检测单元和后台计算机构成，前台检测单元在计算机的远程控制下对试品电缆主绝缘施加0~2.5U0(U0=8.7kV)的阻尼振荡电压，激发并检测电缆缺陷处的局部放电信号，局部放电检测灵敏度不低于5pC，缺陷点定位误差小于10cm。基于局部放电脉冲信号在电缆中传播的行波原理，利用时域反射法定位缺陷点位置[18]。

相位特征统计方法一组典型的振荡波实测波形如图3所示，其中上图为阻尼振荡电压波形，下图为局部放电信号。由电路理论可知，阻尼振荡电压波的形成属于二阶电路零状态响应中的振荡放电过程[19]。现根据电路学原理分析振荡电压波的起始相位角。单次阻尼振荡电压持续时间较短，约数十ms，获取的局部放电信号数据较少，统计特性不强。为扩充分析数据的样本空间，在相同阻尼振荡电压作用下，进行多次加压测试，获取多组波形。从每组局部放电信号中提取超过阈值的放电脉冲，获取其时间及幅值序列，同时测量振荡电压频率。由此可以得到一组检测数据中放电脉冲序列的相位序列，对每组检测数据均依照该方法进行处理，最终可以得到多组实测信号中所有放电脉冲的相位序列。通过这样的累积处理，可极大程度地扩展放电数据的样本空间，得到规律明显的相位特征谱图。本文给出4种典型特征谱图：1）局部放电灰度图[20-21]，表征局部放电脉冲归一化幅值在振荡电压相位上的分布情况；2）N-Φ谱图(放电次数–振荡电压相位谱图)，表征放电次数在振荡电压相位上的分布情况[22]；3）Q-Φ谱图(放电量–振荡电压相位谱图)，表征每个振荡电压相位段上最大放电量的分布情况[22]；4）N-Q谱图(放电次数–放电量谱图)，表征放电次数在放电量范围内的分布情况[22]。

实验结果分析

将10kV电缆局部放电振荡波测试系统通过高压连接电缆与试品电缆被试相线芯连接(试品电缆已预置缺陷)，振荡波检测系统及试品电缆铜屏蔽层均良好接地。使用满足IEC标准的局部放电校准仪向试品电缆注入1000pC的校准脉冲信号，系统检测到的校准脉冲波形如图4所示。由于注入的校准脉冲传播至电缆终端后会发生发射，因此在一定时间段内可同时采集到入射及反射校准脉冲波形，提取入射及反射脉冲的峰值，可计算出视在放电量的校准系数。测量入射及反射脉冲之间的时间差，结合波速也可校核电缆全长。对被试相电缆主绝缘施加阻尼振荡电压，针对预置的每种缺陷，施加的阻尼振荡电压分为9个等级：0.8U0、1.0U0、1.2U0、1.3U0、1.5U0、1.6U0、1.7U0、1.8U0、2.0U0(U0=8.7kV)，加压时从最低电压等级开始，记录能够检测到局部放电信号且信噪比S/N>2时的电压档位，将该电压档位及以上的1个电压档位作为测试电压，每个测试电压下施加阻尼振荡电压50次，保存50组测试数据，每组测试数据包括振荡电压波形及局部放电波形。4类缺陷的测试电压如表1所示。

给出本体外半导电层破损缺陷在1.5U0振荡电压作用下的实测波形如图5所示，其中上图为阻尼振荡电压波形，振荡频率550Hz，下图为激发出的局部放电信号。其余缺陷放电实测波形与此类似。从实测的局部放电信号中提取并匹配入射–反射脉冲对，测量脉冲对中入射脉冲、反射脉冲之间的时间差，结合电缆长度、波速等参数，即可计算出缺陷点所在的位置，如图6所示。图中横轴表示电缆长度，纵轴表示缺陷点的视在放电量。所有预设缺陷点的定位结果统计于表2中，从表2中统计数据可见，4种缺陷点的定位误差不大于10cm。分析4类预设缺陷在不同振荡电压下产生局部放电信号的统计特征，分别给出放电灰度图、N-谱图、Q-谱图、N-Q谱图共计4类典型谱图，如图7—10所示。比较图7—10给出的局部放电特征谱图可以看出，4类预设缺陷在不同电压等级的振荡电压作用下产生的局部放电信号重复率及视在放电量存在一定的差异，但是其统计特征基本一致，简要分析各类缺陷在其最高测试电压下产生局部放电信号的统计特征如下。

中间接头线芯压接管外错用绝缘胶带导致的放电比较稀疏，主要集中在20°~70°和200°~280°2个相位区间段内，230°附近分布最为密集，负半周放电密度略大于正半周。放电脉冲在灰度图上2个集中分布区域呈三角形。端部针尖故障的放电脉冲分布最广，分布在20°~110°、200°~280°的相位段内，且正、负2个半轴内的分布密度基本一致，分布形状均呈矩形，具有较好的对称性。本体半导电层破损导致放电集中分布在负半周过零点和振荡电压反向升高的阶段，从相位特征上看主要集中在180°~280°，其中190°~230°相位段内的分布最为密集，放电脉冲在灰度图上的分布区域呈三角形。端部悬浮故障放电主要分布在200°~300°的相位区间内。从相位分布上来看，该故障放电与本体半导电层破损故障相似度较高，但该故障放电在过零点处没有分布，且从在灰度图上的分布形状来看，该故障放电分布形状近似于矩形，与半导电层破损放电呈现的三角形有明显差异。表3中给出4类典型缺陷放电的统计特征。

结论

本文在真实10kV电缆上预设了4类典型缺陷，对试品电缆施加阻尼振荡电压并测量缺陷的局部放电信号。使用时域脉冲反射法对缺陷点进行定位，4类缺陷点的定位误差均不超过10cm。使用振荡电压相位特征统计方法分析局部放电信号在阻尼振荡电压相位上的分布特征，发现不同振荡电压作用下同一缺陷局部放电信号的统计特征基本一致，放电重复率及视在放电量存在差异；不同缺陷局部放电的统计特征存在明显差异。基于本文所取得的研究成果，下一步可建立阻尼振荡电压作用下典型缺陷的放电模式库，或研究放电的严重程度，与故障定位相结合，可全面判断电缆绝缘状态。